RU2042089C1

RU2042089C1 - Vortex tube

Info

Publication number: RU2042089C1
Application number: RU93039230/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Ефимович Курносов; Иван Васильевич Будников
Original assignee: Николай Ефимович Курносов; Иван Васильевич Будников
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1995-08-20

Abstract

FIELD: heat-power engineering. SUBSTANCE: vortex tube is provided with power separation chamber 1 with tangential nozzle inlet 2, cooled flow outlet diaphragm 4, throttle 6 on whose cross-piece radial blades 8 are mounted; blades 8 are rigidly connected with flow divider 9 made in form of smooth-walled bush forming circular chamber together with wall of chamber 1. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее, к устройствам, использующим вихревой эффект разделения газа, и предназначено для охлаждения различных объектов, например для охлаждения режущего инструмента холодным потоком воздуха в металлообрабатывающей промышленности. The invention relates to refrigeration, and more specifically, to devices using the vortex effect of gas separation, and is intended for cooling various objects, for example, for cooling a cutting tool with a cold air stream in the metal industry.

Известны вихревые трубы, содержащие камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа, диафрагму с центральным отверстием для вывода холодного потока и дроссельный вентиль для вывода горячего потока. Хвостовая часть дроссельного вентиля выполнена в виде крестовины для спрямления вихревого потока. Дроссельный вентиль соединен с глушителем с целью уменьшения шума при работе устройства. Known vortex tubes containing an energy separation chamber with a tangential nozzle inlet of compressed gas, a diaphragm with a Central hole for outputting a cold stream and a throttle valve for outputting a hot stream. The tail part of the throttle valve is made in the form of a cross for straightening the vortex flow. The throttle valve is connected to the silencer in order to reduce noise during operation of the device.

Эти вихревые трубы имеют недостаточную термодинамическую эффективность, так как разделение вихревого потока происходит в конце камеры энергетического разделения на участке, примыкающем к дроссельному вентилю. These vortex tubes have insufficient thermodynamic efficiency, since the separation of the vortex flow occurs at the end of the energy separation chamber in the area adjacent to the throttle valve.

Наиболее близкой к изобретению по конструкции является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа. По оси камеры расположена диафрагма вывода охлажденного потока. На другом конце камеры установлен дроссель для вывода горячего потока газа. Перед дросселем установлена крестовина, снабженная радиально расположенными лопастями и пластинчатым дефлектором в виде равностороннего многоугольника, вершины которого совмещены с плоскостями лопастей. Closest to the invention in design is a vortex tube containing an energy separation chamber with a tangential nozzle inlet of compressed gas. The diaphragm of the output of the cooled stream is located along the axis of the chamber. A throttle is installed at the other end of the chamber to output a hot gas stream. A crosspiece is installed in front of the throttle, equipped with radially located blades and a plate deflector in the form of an equilateral polygon, the vertices of which are aligned with the planes of the blades.

Общим для прототипа и заявляемого устройства является наличие камеры энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагмы вывода охлажденного потока, дросселя, крестовины, снабженной радиально расположенными лопастями. Common to the prototype and the claimed device is the presence of an energy separation chamber with a tangential nozzle inlet, a diaphragm for outputting a cooled stream, a throttle, a spider equipped with radially arranged blades.

Недостатком прототипа является размещение рассекателей вихревого потока только на участке, примыкающем к дросселю, что не обеспечивает эффективного формирования горячего и охлажденного потоков, так как разделение вихревого потока происходит в конце камеры энергетического разделения, а это снижает термодинамическую эффективность. The disadvantage of the prototype is the placement of the vortex flow dividers only in the area adjacent to the throttle, which does not ensure the effective formation of hot and cooled flows, since the separation of the vortex flow occurs at the end of the energy separation chamber, and this reduces the thermodynamic efficiency.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение термодинамической эффективности путем развихрения потока на значительном участке камеры. The technical problem solved by the invention is to increase thermodynamic efficiency by swirling the flow in a significant section of the chamber.

Задача решается тем, что вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, согласно изобретению снабжена разделителем потоков, выполненным в виде гладкостенной втулки, жестко соединенной с лопастями и образующей со стенкой камеры кольцевую полость. The problem is solved in that the vortex tube containing an energy separation chamber with a tangential nozzle inlet, a cooled flow outlet diaphragm and a throttle on the cross of which radially arranged blades are installed, according to the invention is equipped with a flow separator made in the form of a smooth-walled sleeve rigidly connected to the blades and forming with the chamber wall an annular cavity.

Этот отличительный признак позволяет формировать горячий и охлажденный потоки газа на значительном участке камеры, что усиливает процесс энергоразделения. This distinguishing feature allows the formation of hot and chilled gas flows in a significant portion of the chamber, which enhances the process of energy separation.

При искусственном торможении вихревого потока на нагретом конце камеры разделения создаются благоприятные условия для формирования приосевого потока, направленного к диафрагме, что позволяет уменьшить длину камеры разделения. Кроме того, торможение увеличивает радиальный градиент тангенциальных составляющих скоростей в зоне интенсивного энергообмена между закрученными потоками, т.е. приводит к повышению КПД. When the vortex flow is artificially braked at the heated end of the separation chamber, favorable conditions are created for the formation of an axial flow directed towards the diaphragm, which makes it possible to reduce the length of the separation chamber. In addition, braking increases the radial gradient of the tangential velocity components in the zone of intense energy exchange between swirling flows, i.e. leads to increased efficiency.

Других технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено в патентной и научно-технической литературе, следовательно, предлагаемое устройство обладает существенными отличиями. Other technical solutions with similar distinctive features were not found in the patent and scientific and technical literature, therefore, the proposed device has significant differences.

На фиг.1 изображена предлагаемая вихревая труба; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1. Figure 1 shows the proposed vortex tube; figure 2 section aa in figure 1.

Вихревая труба содержит цилиндрическую камеру 1 энергетического разделения. Тангенциальный сопловый ввод 2 выполнен в виде улитки и соединен со штуцером 3. Штуцер 3 подключен к источнику сжатого газа. По оси камеры 1 энергетического разделения установлена диафрагма 4 вывода охлажденного потока. Диафрагма 4 имеет центральное отверстие и примыкает к ниппелю 5, который пропускает газ в одном направлении, для охлаждения предназначенного объекта. На другом конце камеры 1 установлен дроссель 6, с помощью которого устанавливается определенное соотношение между горячим и охлажденным потоками при номинальном режиме. На торцовый конец дросселя 6, выполненного в виде спрямляющей крестовины, насажены лопасти 8 в виде радиально расположенных пластин. Лопасти 8 выполняют функцию рассекателя потоков. Разделитель 9 потоков, выполненный в виде гладкостенной втулки, жестко соединен с лопастями 8 и образует со стенкой камеры 1 кольцевую полость. Такое расположение разделителя 9 потоков перед лопастями 8, установленными на крестовине дросселя 6, препятствует перетечке горячего потока в приосевую область, способствует превращению части кинетической энергии горячего потока, обусловленной осевой составляющей скорости, в потенциальную энергию давления. The vortex tube contains a cylindrical chamber 1 of the energy separation. The tangential nozzle inlet 2 is made in the form of a cochlea and is connected to the fitting 3. The fitting 3 is connected to a source of compressed gas. On the axis of the chamber 1 of the energy separation installed diaphragm 4 output of the cooled stream. The diaphragm 4 has a central hole and is adjacent to the nipple 5, which passes gas in one direction, to cool the intended object. At the other end of the chamber 1, a throttle 6 is installed, with the help of which a certain ratio between hot and cooled flows is established in the nominal mode. On the end end of the throttle 6, made in the form of a straightening cross, mounted blades 8 in the form of radially arranged plates. The blades 8 perform the function of a flow divider. The separator 9 flows, made in the form of a smooth-walled sleeve, is rigidly connected to the blades 8 and forms an annular cavity with the wall of the chamber 1. This arrangement of the splitter 9 of the flows in front of the blades 8 mounted on the crosspiece of the throttle 6 prevents the flow of the hot flow into the axial region, helps to convert part of the kinetic energy of the hot flow, due to the axial velocity component, into the potential pressure energy.

Дроссель 6 жестко соединен с корпусом глушителя 7, который имеет резьбовое соединение с наружным диаметром камеры 1 энергетического разделения. Вращением корпуса глушителя 7 осуществляется управление положением дросселя 6. При вывинчивании корпуса глушителя 7 увеличивается площадь проходного сечения щелевого зазора дросселя 6, что приводит к снижению температуры охлажденного потока. The throttle 6 is rigidly connected to the silencer housing 7, which has a threaded connection with the outer diameter of the energy separation chamber 1. The rotation of the silencer 7 controls the position of the throttle 6. When unscrewing the silencer 7, the passage area of the slotted gap of the throttle 6 increases, which reduces the temperature of the cooled stream.

Вихревая труба работает следующим образом. Vortex tube works as follows.

Сжатый газ от источника через штуцер 3 подается к сопловому вводу 2, проходя через который он закручивается, и поступает в камеру 1 энергетического разделения в виде вихревого потока. Перемещаясь от соплового ввода 2 к дросселю 6, вихревой поток постепенно теряет свою закрутку, что приводит к росту давления у приосевых слоев газа и появлению градиента давления, под воздействием которого приосевой поток газа начинает перемещаться от разделителя потоков к центральному отверстию диафрагмы 4 и далее через ниппель 5 выходит в виде охлажденного потока. Compressed gas from the source through the nozzle 3 is fed to the nozzle inlet 2, passing through which it is twisted, and enters the chamber 1 of the energy separation in the form of a vortex stream. Moving from the nozzle inlet 2 to the throttle 6, the vortex flow gradually loses its swirl, which leads to an increase in pressure at the axial gas layers and the appearance of a pressure gradient, under the influence of which the axial gas flow begins to move from the flow separator to the central opening of the diaphragm 4 and then through the nipple 5 leaves as a chilled stream.

Между двумя перемещающимися в противоположных направлениях вихрями происходит интенсивный энергообмен, результатом которого является охлаждение приосевых слоев и нагрев периферийных. Between two vortices moving in opposite directions, intense energy exchange occurs, the result of which is the cooling of the axial layers and the heating of the peripheral ones.

Периферийные горячие слои газа поступают в кольцевую полость, далее через лопасти 8, крестовину, щелевой зазор и отверстия в дросселе 6 в полость глушителя 7 и атмосферу. The peripheral hot layers of gas enter the annular cavity, then through the blades 8, the crosspiece, the gap gap and the holes in the throttle 6 into the silencer cavity 7 and the atmosphere.

Опыты подтвердили, что эффект разделения потоков зависит от соотношения диаметров отверстия подвода и отвода газа, формы и длины камеры энергетического разделения, а также расположения и длины рассекателей и разделителей потоков. The experiments confirmed that the effect of the separation of flows depends on the ratio of the diameters of the gas inlet and outlet openings, the shape and length of the energy separation chamber, as well as the location and length of the flow dividers and separators.

Разделитель 9 потоков оказывает интенсифицирующее воздействие на энергообмен между приосевой и периферийной частями вихревого потока. The splitter 9 streams has an intensifying effect on the energy exchange between the axial and peripheral parts of the vortex stream.

Pегулировка работы вихревой трубы осуществляется следующим образом. Regulation of the vortex tube is as follows.

Перемещая в осевом направлении узел, образованный корпусом глушителя 7 с жестко соединенным с ним дросселем 6, производят регулирование щелевого зазора между стенкой камеры 1 и дросселем 6. С изменением площади проходного сечения щелевого зазора дросселя изменяется соотношение между расходами охлажденной и подогретой частей газа. Moving in the axial direction the assembly formed by the silencer body 7 with the throttle 6 rigidly connected to it, adjust the gap between the wall of the chamber 1 and the throttle 6. The ratio between the flow rates of the cooled and heated parts of the gas changes with the passage area of the throat gap of the throttle.

Применение описанной конструкции вихревой трубы позволяет эксплуатировать ее достаточно длительное время. The application of the described design of the vortex tube allows you to operate it for quite a long time.

Опытным путем подобраны параметры вихревой трубы: минимальный диаметр и длина камеры энергетического разделения, относительная площадь соплового ввода, относительный диаметр отверстия диафрагмы, а также размеры (длина и диаметр) разделителя потоков, длина лопастей. Experimentally, we selected the parameters of the vortex tube: the minimum diameter and length of the energy separation chamber, the relative area of the nozzle inlet, the relative diameter of the aperture, and also the dimensions (length and diameter) of the flow separator and the length of the blades.

Использование последовательно расположенных разделителя потоков в виде полой гладкостенной втулки и лопастей, установленных на крестовине дросселя, позволяет утилизировать кинетическую энергию горячего потока, что приводит к увеличению КПД вихревой трубы как генератора холода. The use of sequentially located flow separator in the form of a hollow smooth-walled sleeve and blades mounted on the crosspiece of the throttle allows to utilize the kinetic energy of the hot flow, which leads to an increase in the efficiency of the vortex tube as a cold generator.

Экономическая эффективность изобретения заключается в увеличении холодопроизводительности устройства. The cost-effectiveness of the invention is to increase the cooling capacity of the device.

Claims

Vortex tube containing an energy separation chamber with a tangential nozzle inlet, a chilled flow outlet diaphragm and a throttle on the cross of which radially arranged blades are installed, characterized in that the pipe is additionally equipped with a flow separator made in the form of a smooth-walled sleeve rigidly connected to the blades and forming with the chamber wall is an annular cavity.